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    3D打印实现制造轻量化:从材料到结构

    点击次数:15 更新时间:2020-08-24

    轻量化的实现途径主要有三大方面:一是材料的优化设计和应用;二是产品结构的优化设计雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台;三是先进制造技术的开发应用。三者相辅相成以实现最终产品的轻量化制造,而这其中产品结构优化设计和材料的优化设计具有广大的研究和开发空间。

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    3D打印实现制造轻量化:从材料到结构

    轻量化材料就是可以用来减轻产品自重且可以提高产品综合性能的材料。材料轻量化,指的是在满足机械性能要求的前提下,通过采用轻量化的3D打印金属和3D打印非金属材料实现重量减轻的方法。

    在当前的轻量化材料中,钢铁仍然保持主导地位,但钢铁材料的比例逐年下降,铝合金、钛合金、镁合金雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台、工程塑料雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台、复合材料等材料比例逐渐增加。这些材料在汽车制造领域的应用尤其广泛雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,我们讨论的重点也在该领域。

    3D打印金属轻量化材料:铝合金

    汽车上常见的合金材料大多为铝合金、镁合金雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。其中铝合金是现阶段应用最广、最为常见的汽车轻量化材料,曾有研究表明铝合金在整车中最多可以使用540kg雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,这样的情况下汽车将减重40%,奥迪雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台、丰田等的全铝车身就是很好的例子。

    目前铝合金3D打印材料种类主要有AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi12等,其中AlSi10Mg几乎占据绝对主流雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。针对AlSi系列合金的力学性能不高,无法满足高强度要求的现状,目前开发出的高强铝合金有空客的Scalmalloy、英国铸造公司Aeromet International的A20X、长沙新材料产业研究院的AlMgSc系以及苏州倍丰的Al250C等。

    2017年雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,梅赛德斯-奔驰在制造业转型中迈出了重要一步:使用3D打印技术生产金属部件,其中就包括采用铸铝合金3D打印的奔驰卡车的恒温器。不仅如此,梅赛德斯-奔驰表示,该环节通过了所有严格的质量测试。

    3D打印金属轻量化材料:钛合金

    钛合金的主要优点是低密度、高强度密度比和优异的耐腐蚀性,另外即使在温度升至500°C时仍能保持很高的强度雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。钛合金用于汽车与钢雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台、铝合金以及镁合金相比的主要缺点是成本高,但其在汽车其他方面的应用具有轻量化的潜力,可用于制造悬架弹簧、排气系统等部件。

    一个典型案例是布加迪对传统的刹车盘的设计优化,其采用高强钛合金代替传统铸铝,虽然材料的密度有所提高雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,但材料性能得到大幅提升,配合结构设计,最终通过3D打印制造的卡钳重量减轻了40%雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。除此之外,钛合金作为一种高强轻量化材料,在航空航天领域具有极大的应用空间雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。

    3D打印金属轻量化材料:镁合金

    镁合金也是一种强度较大的合金材料,现阶段我们可以在汽车轮毂雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台、离合器等部件上看到它的身影,尽管它比铝合金更轻,但在汽车上的用量却很少,从目前来看世界一流的汽车上镁合金用量也仅为10kg雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,而自主品牌汽车镁合金用量则更少雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,仅为3kg左右。

    想要大规模的使用镁合金,还需在技术和成本上有所突破。关于镁合金的3D打印应用雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,目前多见于研究,公开报道的案例非常少见。

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    3D打印非金属轻量化材料:碳纤维

    除了合金以外,近些年汽车上也出现了一些新型轻量化材料,碳纤维就是其中之一雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。有研究表明,如果用强度可靠的碳纤维替代钢材雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,车身、底盘的质量将下降40%-60%雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,轻量化效果可见一斑。

    碳纤维目前无法直接用于3D打印,通常作为增强材料使用,包括基于激光烧结的短纤增强和基于FDM的长纤增强两种雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。将碳纤维嵌入到常规材料中,可以使部件强度提升几十倍,其强度重量比甚至超过很多金属材料。这种制造工艺更类似于新的材料设计雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,因此在轻量化方面有非常广的应用空间。

    在2015年的托纳汽车耐力赛期间雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,福特采用碳纤维3D打印制造了赛车增压室进气歧管,部件的制造仅一周时间,从而为汽车开发工程师提供了更多的测试、调整和完善时间雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。除此之外,福特车队的赛车还包含众多其他的3D打印部件雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,为赛车的轻量化雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台、快速制造提供了保障。此次比赛雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,该车队也赢得了冠军。

    3D打印非金属轻量化材料:工程塑料

    另一种轻量化的材料是工程塑料,多用于制造汽车内饰件、电器件雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台、进气歧管、控制面板等部件雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,既可以用作原型验证,也可直接制造最终功能部件雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。武汉萨普曾采用尼龙材料打印了2*0.5*0.7m的大尺寸汽车仪表盘,可对抗高温和高频振动雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,研发周期缩短了47%,制造成本降低了54%,而且还实现了轻量化雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。

    特种塑料的3D打印市场在近年来呈现增长趋势,这不仅体现在用于3D打印的特种材料的丰富,还包括打印设备雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台、工艺以及应用的多样化。知名的特种塑料3D打印制造商还有Stratasys雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,其针对航空航天、汽车行业开发了专门的打印机和高性能材料,有的甚至已经获得了航空认证雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。

    特种材料的3D打印区别于传统的塑料打印机,它往往需要更高的打印温度和保温环境雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,在设备开发过程中往往具有一定的门槛雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。目前较为知名的FDM品牌有markforged、Roboze、Apium等,这些特种材料一般包括PA、PEEK、PEKK以及PEI等。

    轻量化材料的使用必须与产品设计和制造工艺相结合,只有这样才能达到有效的目的雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台∮暄嘀辈ッ夥?雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台?⑹视η崃炕牧系男鹿ひ詹唤隹梢约铀傩虏牧显谄瞪系氖褂?雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,同时还可以降低材料成本,有利于扩大应用。

    据汽

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